JP2013051250A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce Schottky resistance caused by contact with a polycrystalline silicon film.SOLUTION: A semiconductor device comprises a transistor. The transistor has: a first gate insulating film covering a part of a surface in a first active region and made of a first insulation material having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide; a first metal gate electrode formed on the first gate insulating film and made of a first metal material; and a first polycrystalline silicon film of a p-type conductivity type formed on the first metal gate electrode.

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

従来から、トランジスタに用いられるゲート絶縁膜には、誘電率が3.9程度の二酸化シリコン膜が用いられている。しかし、トランジスタの微細化に伴ってゲート絶縁膜が薄膜化されると、リーク電流が増大し、消費電力・待機電力の高いデバイスとなってしまう。そこで、酸化シリコン膜よりも高い誘電率を有する絶縁膜(高誘電率絶縁膜)をゲート絶縁膜(以下、「高誘電率ゲート絶縁膜」と記載する場合がある)に用いることにより、実際の膜厚はシリコン酸化膜より厚くても、実効的な膜厚(EOT)を薄くしたトランジスタの開発が進んでいる。   Conventionally, a silicon dioxide film having a dielectric constant of about 3.9 has been used as a gate insulating film used in a transistor. However, when the gate insulating film is thinned with the miniaturization of the transistor, the leakage current increases, resulting in a device with high power consumption and standby power. Therefore, by using an insulating film (high dielectric constant insulating film) having a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film as a gate insulating film (hereinafter sometimes referred to as “high dielectric constant gate insulating film”), Development of a transistor having an effective film thickness (EOT) thin is progressing even though the film thickness is larger than that of a silicon oxide film.

しかしながら、従来の多結晶シリコンゲート電極と高誘電率ゲート絶縁膜とを組み合わせただけでは、ゲート電極の空乏化と呼ばれる現象が生じる。これは、高誘電率ゲート絶縁膜と多結晶シリコンゲート電極との間に空乏層容量が形成され、EOTが薄いという高誘電率ゲート絶縁膜の利点が失われる現象である。そこで、ゲート電極の空乏化を防ぐために、高誘電率ゲート絶縁膜に接するゲート電極の部分を、多結晶シリコン層に代えて金属層にするようになってきている。   However, a combination of a conventional polycrystalline silicon gate electrode and a high dielectric constant gate insulating film causes a phenomenon called depletion of the gate electrode. This is a phenomenon in which a depletion layer capacitance is formed between the high dielectric constant gate insulating film and the polycrystalline silicon gate electrode, and the advantage of the high dielectric constant gate insulating film that the EOT is thin is lost. Therefore, in order to prevent depletion of the gate electrode, the portion of the gate electrode in contact with the high dielectric constant gate insulating film is replaced with a metal layer instead of the polycrystalline silicon layer.

一方、ゲート電極を金属層のみから構成すると、(1)ゲート電極による閾値電圧の制御は膜厚依存性があるため、金属層のみで所望の閾値と抵抗値を満たす厚さを実現するのは困難である、(2)加工性の点で、ゲート電極全てを金属層にするのは困難である、といった問題が生じる。このため、金属層上に多結晶シリコン層を積層させたゲート電極を有するトランジスタが提案されている。   On the other hand, when the gate electrode is composed only of the metal layer, (1) since the threshold voltage control by the gate electrode has a film thickness dependency, it is possible to realize a thickness satisfying the desired threshold value and the resistance value only by the metal layer. There are problems that (2) it is difficult to make all the gate electrodes into metal layers in terms of workability. For this reason, a transistor having a gate electrode in which a polycrystalline silicon layer is stacked on a metal layer has been proposed.

特許文献1(特開2011−14689号公報)には、高誘電率ゲート絶縁膜上に、金属ゲート電極としてのTiNと多結晶シリコンを積層したHKMG型のトランジスタが開示されている。このトランジスタの形成工程では、ゲート電極の最上層に多結晶シリコン電極112,118が配置された状態で、これをマスクとしてエクステンション層108,114および(ソース及びドレインとなる)拡散層107,113を形成するためのイオン注入を施す。従って、各トランジスタの多結晶シリコン電極には、チャネル導電型と同じ導電型の不純物がドーピングされる。換言すれば、nチャネル型のトランジスタの多結晶シリコン電極118はn型に、pチャネル型のトランジスタの多結晶シリコン電極112はp型にドーピングされる。   Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-14689) discloses an HKMG transistor in which TiN as a metal gate electrode and polycrystalline silicon are stacked on a high dielectric constant gate insulating film. In this transistor formation process, the polysilicon layers 112 and 118 are arranged on the uppermost layer of the gate electrode, and the extension layers 108 and 114 and the diffusion layers 107 and 113 (which serve as a source and a drain) are formed using this as a mask. Ion implantation for forming is performed. Therefore, the polycrystalline silicon electrode of each transistor is doped with an impurity having the same conductivity type as the channel conductivity type. In other words, the polycrystalline silicon electrode 118 of the n-channel transistor is doped n-type, and the polycrystalline silicon electrode 112 of the p-channel transistor is doped p-type.

このように、多結晶シリコンをゲート電極として有するトランジスタの形成工程において、エクステンション層やソース及びドレインを形成するための不純物の注入によって、多結晶シリコンゲート電極中に不純物が導入されることがある。このようにして形成された多結晶シリコンゲート電極は、トランジスタのチャネル導電型と同じ極性の不純物を含んだ構造となる。   As described above, in the process of forming a transistor having polycrystalline silicon as a gate electrode, impurities may be introduced into the polycrystalline silicon gate electrode by implantation of impurities for forming an extension layer and a source and drain. The polycrystalline silicon gate electrode thus formed has a structure containing an impurity having the same polarity as the channel conductivity type of the transistor.

特許文献2(特開2009−267180号公報)には、高誘電率ゲート絶縁膜上に金属ゲート電極(TiAlN,TiNなど)と多結晶シリコンを積層した、HKMG型のトランジスタが開示されている。このトランジスタの製造方法では、ゲート絶縁膜5、第1金属膜30または第1金属膜30と第2金属膜31の積層膜上に、リンを不純物として堆積したn型導電型の多結晶シリコンからなる導電体膜32を堆積する。そして、これらの積層膜を加工することで各ゲート電極6,7を形成する。従って、p型のトランジスタQpおよびn型のトランジスタQnはともに、ゲート電極6,7を構成する導電体膜32の多結晶シリコンがn型導電型である。   Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-267180) discloses an HKMG transistor in which a metal gate electrode (TiAlN, TiN, etc.) and polycrystalline silicon are stacked on a high dielectric constant gate insulating film. In this transistor manufacturing method, the gate insulating film 5, the first metal film 30, or the laminated film of the first metal film 30 and the second metal film 31 is made of n-type conductivity type polycrystalline silicon deposited with phosphorus as an impurity. A conductive film 32 is deposited. Then, the gate electrodes 6 and 7 are formed by processing these laminated films. Therefore, in both the p-type transistor Qp and the n-type transistor Qn, the polycrystalline silicon of the conductor film 32 constituting the gate electrodes 6 and 7 is of the n-type conductivity type.

このように、多結晶シリコンをゲート電極として有するトランジスタの形成工程において、多結晶シリコン膜の堆積時に予め不純物をドープしておくことがある。特に、多結晶シリコン自体の抵抗率を比べると、p型導電型よりもn型導電型の多結晶シリコンの方が低抵抗であることが分かっている。したがって、通常、多結晶シリコンに予めドープする不純物種は、本特許文献2のようにドナー不純物である。このようにして形成した多結晶シリコンゲート電極は、トランジスタのチャネル導電型によらずn型導電型であり、ドナー不純物を含んだ構造となる。   As described above, in the process of forming a transistor having polycrystalline silicon as a gate electrode, impurities may be doped in advance when the polycrystalline silicon film is deposited. In particular, comparing the resistivity of the polycrystalline silicon itself, it has been found that the n-type conductivity type polysilicon has a lower resistance than the p-type conductivity type. Therefore, normally, the impurity species previously doped in the polycrystalline silicon is a donor impurity as in Patent Document 2. The polycrystalline silicon gate electrode thus formed has an n-type conductivity type regardless of the channel conductivity type of the transistor, and has a structure including donor impurities.

特開2011−14689号公報JP 2011-14689 A 特開2009−267180号公報JP 2009-267180 A

しかしながら、上記特許文献1の技術に代表される、金属ゲート電極と多結晶シリコン膜を積層させた、HKMG型のゲートスタックについて発明者らが検討したところ、nチャネル型トランジスタのゲート界面抵抗が、pチャネル型トランジスタのゲート界面抵抗と比較して高いことが分かった。   However, when the inventors examined a HKMG type gate stack in which a metal gate electrode and a polycrystalline silicon film are typified by the technique of Patent Document 1 above, the gate interface resistance of an n-channel transistor is It was found to be higher than the gate interface resistance of the p-channel transistor.

一実施形態は、
半導体基板の主面に形成された、p型導電型の第1の活性領域と、
前記第1の活性領域の表面の一部を覆い、二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する第1の絶縁材料を含む第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜を介して前記第1の活性領域上に形成され、第1の金属材料からなる第1の金属ゲート電極と、
前記第1の金属ゲート電極上に形成され、p型導電型の第1の多結晶シリコン膜からなる第1の多結晶シリコンゲート電極と、
を有することを特徴とする半導体装置に関する。
One embodiment is:
A p-type conductivity type first active region formed on the main surface of the semiconductor substrate;
A first gate insulating film covering a part of the surface of the first active region and including a first insulating material having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide;
A first metal gate electrode formed on the first active region via the first gate insulating film and made of a first metal material;
A first polycrystalline silicon gate electrode formed on the first metal gate electrode and made of a p-type conductivity type first polycrystalline silicon film;
The present invention relates to a semiconductor device.

他の実施形態は、
nチャネル型トランジスタとpチャネル型トランジスタを有する半導体装置であって、
前記nチャネル型トランジスタ及びpチャネル型トランジスタはそれぞれ、
半導体基板上に設けられ、二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する絶縁膜を含むゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられ、前記ゲート絶縁膜側から順に金属材料からなる金属ゲート電極と、p型導電型の多結晶シリコン膜とを有するゲート電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置に関する。
Other embodiments are:
A semiconductor device having an n-channel transistor and a p-channel transistor,
The n-channel transistor and the p-channel transistor are respectively
A gate insulating film provided on a semiconductor substrate and including an insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide;
A gate electrode provided on the gate insulating film and having a metal gate electrode made of a metal material in order from the gate insulating film side; and a p-type conductivity type polycrystalline silicon film;
The present invention relates to a semiconductor device.

他の実施形態は、
半導体基板の主面にp型導電型の第1の活性領域を形成する工程と、
前記半導体基板の主面を覆うように、二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する絶縁膜、第1の金属膜、および、p型導電型の多結晶シリコン膜を有する積層膜を順に形成する工程と、
前記積層膜を前記第1の活性領域の表面の一部を覆うように加工して、前記絶縁膜からなる第1のゲート絶縁膜、前記第1の金属膜からなる第1の金属ゲート電極、および、前記p型導電型の多結晶シリコン膜からなる第1の多結晶シリコンゲート電極を有する第1の積層体を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
Other embodiments are:
Forming a p-type conductivity type first active region on a main surface of a semiconductor substrate;
Forming an insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide, a first metal film, and a laminated film having a p-type conductivity type polycrystalline silicon film in order so as to cover the main surface of the semiconductor substrate; ,
The laminated film is processed so as to cover a part of the surface of the first active region, and a first gate insulating film made of the insulating film, a first metal gate electrode made of the first metal film, And forming a first stacked body having a first polycrystalline silicon gate electrode made of the p-type conductivity type polycrystalline silicon film,
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

本特許請求の範囲及び明細書では、二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する絶縁膜を、「高誘電率絶縁膜」又は「High−K膜」と記載する。   In the claims and the specification, an insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide is referred to as a “high dielectric constant insulating film” or a “High-K film”.

金属ゲート電極とp型導電型多結晶シリコン膜の積層膜からなるゲート電極を備えたnチャネル型のトランジスタとする。金属ゲート電極を構成する金属は仕事関数が大きく、フェルミ準位がシリコンの価電子帯端寄りにあるため、p型導電型の多結晶シリコン膜との接触に起因するショットキー抵抗を低減することができる。   An n-channel transistor including a gate electrode made of a laminated film of a metal gate electrode and a p-type conductivity type polycrystalline silicon film is used. Since the metal constituting the metal gate electrode has a large work function and the Fermi level is close to the valence band edge of silicon, Schottky resistance caused by contact with the p-type conductivity type polycrystalline silicon film should be reduced. Can do.

本発明の半導体装置の作用効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect of the semiconductor device of the present invention. 第1実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Example. 第1実施例の半導体装置を表す図である。It is a figure showing the semiconductor device of 1st Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置の製造方法の一工程を表す図である。It is a figure showing 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Example. 第2実施例の半導体装置を表す図である。It is a figure showing the semiconductor device of 2nd Example.

半導体装置はnチャネル型のトランジスタを備える。nチャネル型のトランジスタは、第1のゲート絶縁膜上に順に形成された、第1の金属材料からなる第1の金属ゲート電極、及びp型導電型の第1の多結晶シリコン膜からなる第1の多結晶シリコンゲート電極を有する、第1のゲート電極を備える。   The semiconductor device includes an n-channel transistor. The n-channel transistor includes a first metal gate electrode made of a first metal material and a first polysilicon film made of a p-type conductivity type, which are sequentially formed on the first gate insulating film. A first gate electrode having one polycrystalline silicon gate electrode is provided.

図1は、半導体装置の作用効果を説明する図である。一般的に、金属ゲート電極上に導電性の多結晶シリコン膜を形成した場合、ショットキー接合となる。ここでは、金属側のフェルミ準位(Ef)からシリコン側の多数キャリアのバンド端(EcまたはEv)までのバンド不連続量が多数キャリアのエネルギー障壁(ショットキー障壁)となって現れ、界面抵抗を生じさせる。また、ショットキー障壁が高いほど界面からシリコン側に向かって広がる空乏層幅は大きくなり、有限の厚さを持つシリコンでは抵抗値が増加することになる。   FIG. 1 is a diagram for explaining the function and effect of the semiconductor device. Generally, when a conductive polycrystalline silicon film is formed on a metal gate electrode, a Schottky junction is formed. Here, the band discontinuity from the Fermi level (Ef) on the metal side to the band edge (Ec or Ev) of the majority carrier on the silicon side appears as an energy barrier (Schottky barrier) of the majority carrier, and the interface resistance Give rise to Also, the higher the Schottky barrier, the larger the depletion layer width that spreads from the interface toward the silicon side, and the resistance value increases in silicon having a finite thickness.

例えば、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ハフニウムシリケート、ジルコニウムシリケート等の二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する高誘電率ゲート絶縁膜を用いた場合に金属ゲート電極として適用される金属材料である窒化チタン、窒化タンタル、窒化ハフニウム、炭化チタンなどは仕事関数Φmが比較的大きく、真性半導体状態のシリコンの仕事関数よりも大きい。言い換えれば、上記金属ゲート電極に適用される金属材料のフェルミ準位Efは、シリコンの伝導帯端Ecよりも価電子帯端Evに近い位置にある(以下、このような金属材料からなる金属ゲート電極を、「p型寄りの金属ゲート電極」と記述する)。従って、このようなp型寄りの金属ゲート電極にn型導電型の多結晶シリコンを接合させた場合、p型寄りの金属フェルミ準位Efから見た伝導帯端Ecまでのエネルギー障壁は高く、n型多結晶シリコン中への空乏層の広がりも大きいことから、界面抵抗が高くなる。   For example, when using a high dielectric constant gate insulating film having a higher dielectric constant than silicon dioxide such as hafnium oxide, zirconium oxide, hafnium silicate, zirconium silicate, etc., titanium nitride, nitride, which is a metal material applied as a metal gate electrode Tantalum, hafnium nitride, titanium carbide, etc. have a relatively large work function Φm, which is larger than that of silicon in the intrinsic semiconductor state. In other words, the Fermi level Ef of the metal material applied to the metal gate electrode is closer to the valence band edge Ev than the conduction band edge Ec of silicon (hereinafter, a metal gate made of such a metal material). The electrode is described as a “p-type metal gate electrode”). Therefore, when n-type polycrystalline silicon is bonded to such a p-type metal gate electrode, the energy barrier from the metal Fermi level Ef near the p-type to the conduction band edge Ec is high. Since the depletion layer extends into the n-type polycrystalline silicon, the interface resistance increases.

これに対して、p型寄りの金属ゲート電極にp型導電型の多結晶シリコンを接合させることで、p型寄りの金属フェルミ準位Efから見た価電子帯端Evまでのエネルギー障壁が低くなり、p型多結晶シリコン中への空乏層の広がりも小さくなることから、抵抗値を低減できる。   On the other hand, by joining polycrystalline silicon of p-type conductivity to the metal gate electrode near the p-type, the energy barrier from the metal Fermi level Ef near the p-type to the valence band edge Ev is lowered. Thus, the spread of the depletion layer into the p-type polycrystalline silicon is also reduced, and the resistance value can be reduced.

例えば、CMOSを構成するnチャネル型トランジスタおよびpチャネル型トランジスタでは、互いに対象性の高い特性が望まれ、この目的では、上記特許文献1のようにnチャネル型トランジスタのゲート電極はn型導電化し、pチャネル型トランジスタのゲート電極はp型導電化するのが通常である。また、多結晶シリコン自体の抵抗率はp型導電型よりもn型導電型の多結晶シリコンの方が低く、この多結晶シリコン自体の抵抗を下げる目的では、当業者であれば、上記特許文献2のようにドナー不純物をドーピングしてn型導電型化させることが通常である。   For example, an n-channel transistor and a p-channel transistor that form a CMOS are desired to have highly targeted characteristics. For this purpose, the gate electrode of the n-channel transistor is made to be n-type conductive as in Patent Document 1 described above. The gate electrode of a p-channel transistor is usually made p-type conductive. In addition, the resistivity of the polycrystalline silicon itself is lower in the polycrystalline silicon of the n-type conductivity type than in the p-type conductivity type. For the purpose of reducing the resistance of the polycrystalline silicon itself, those skilled in the art will be able to It is usual to do n-type conductivity by doping a donor impurity as in 2.

これに対して、本発明者は、高誘電率ゲート絶縁膜を用いた電界効果トランジスタのゲート電極として適用される、金属材料と多結晶シリコンとの積層構造において、当該金属材料と多結晶シリコン界面のショットキー接合による界面付近での上記現象が要因となり低抵抗化が妨げられていることに着目した。そして、本発明は、p型寄りの金属ゲート電極に接する多結晶シリコンゲート電極をp型導電型化することを特徴としている。これにより、p型寄りの金属ゲート電極と多結晶シリコンとの間の界面抵抗を低減できる。   On the other hand, the present inventor has applied the interface between the metal material and the polycrystalline silicon in the laminated structure of the metal material and polycrystalline silicon, which is applied as the gate electrode of the field effect transistor using the high dielectric constant gate insulating film. We focused on the fact that the above phenomenon near the interface due to Schottky junction prevents the low resistance. The present invention is characterized in that the polycrystalline silicon gate electrode in contact with the metal gate electrode close to the p-type is made p-type conductivity type. Thereby, the interface resistance between the metal gate electrode near the p-type and the polycrystalline silicon can be reduced.

以下に、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。なお、下記実施例は、本発明のより一層の深い理解のために示される具体例であって、本発明は、これらの具体例に何ら限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The following examples are specific examples shown for a deeper understanding of the present invention, and the present invention is not limited to these specific examples.

(第1実施例)
本実施例は、nチャネル型とpチャネル型のトランジスタを備えた半導体装置に関するものである。図4は本実施例の半導体装置を表す断面図であり、nチャネル型のトランジスタであるTr1と、pチャネル型のトランジスタであるTr2が設けられている。
(First embodiment)
This embodiment relates to a semiconductor device provided with n-channel and p-channel transistors. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the semiconductor device of this embodiment, which includes an n-channel transistor Tr1 and a p-channel transistor Tr2.

トランジスタTr1は、シリコン製の半導体基板1内に設けられたpウェル3(第1の活性領域に相当する)、pウェル3内に設けられたLDD領域51a及びn型のソース及びドレイン52a、第1のゲート絶縁膜、及び第1のゲート電極とから構成されている。第1のゲート絶縁膜は、半導体基板側から順に酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜5a、及び二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する高誘電率絶縁膜(High−K膜)(第1の絶縁材料からなる膜に相当する)6aから構成されている。この酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜5aにより、半導体基板1の界面特性を安定化させることができる。また、高誘電率絶縁膜6aは高い誘電率を有するため、EOT(等価酸化膜厚)を向上させることができる。   The transistor Tr1 includes a p-well 3 (corresponding to the first active region) provided in the silicon semiconductor substrate 1, an LDD region 51a and an n-type source / drain 52a provided in the p-well 3, 1 gate insulating film and a first gate electrode. The first gate insulating film includes a silicon oxide film or a silicon nitride film 5a in order from the semiconductor substrate side, and a high dielectric constant insulating film (High-K film) having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide (from the first insulating material). 6a (corresponding to the film). With this silicon oxide film or silicon nitride film 5a, the interface characteristics of the semiconductor substrate 1 can be stabilized. Further, since the high dielectric constant insulating film 6a has a high dielectric constant, EOT (equivalent oxide film thickness) can be improved.

トランジスタTr1の第1のゲート電極は、第1のゲート絶縁膜側から順に、第1の金属材料からなる第1の金属ゲート電極7a、p型導電型の第1の多結晶シリコン膜からなるp型導電型の第1の多結晶シリコンゲート電極8a、第2の金属材料からなるバリアメタル膜(導電膜に相当する)9a、及びゲート配線10aから構成されている。第1の金属ゲート電極7aを用いることにより、閾値電圧を調整するために所望の仕事関数に設定することが可能となる。また、閾値電圧の変動性、加工の困難性から、第1の金属ゲート電極7aは所望の厚さにできないため、加工の容易な第1の多結晶シリコンゲート電極8aを用いることによりゲート電極を所望の厚さとすることができる。バリアメタル膜9aを用いることにより、第1の多結晶シリコンゲート電極8aとゲート配線10aが反応して、ゲート配線10aを構成する金属がシリサイド化するのを防止することができる。また、ゲート配線10aにより、複数のトランジスタのゲート電極間を電気的に接続することができる。   The first gate electrode of the transistor Tr1 is, in order from the first gate insulating film side, a first metal gate electrode 7a made of a first metal material, and a p-type conductive type first polycrystalline silicon film. A first conductive type first polycrystalline silicon gate electrode 8a, a barrier metal film (corresponding to a conductive film) 9a made of a second metal material, and a gate wiring 10a. By using the first metal gate electrode 7a, a desired work function can be set in order to adjust the threshold voltage. Further, since the first metal gate electrode 7a cannot have a desired thickness due to the variability of the threshold voltage and the difficulty in processing, the gate electrode can be formed by using the first polycrystalline silicon gate electrode 8a that can be easily processed. A desired thickness can be obtained. By using the barrier metal film 9a, it is possible to prevent the first polycrystalline silicon gate electrode 8a and the gate wiring 10a from reacting and the metal constituting the gate wiring 10a from being silicided. Further, the gate wirings 10a can electrically connect the gate electrodes of a plurality of transistors.

トランジスタTr1のゲート配線10a上には、窒化シリコン膜からなるキャップ絶縁膜11aが設けられている。このキャップ絶縁膜11aは、後の工程で、第1の金属膜、多結晶シリコン膜、第2の金属膜、及びゲート配線用の金属膜を、ゲート電極の形状にエッチングする際のハードマスク、LDD領域並びにソース及びドレインを形成するための不純物注入時のマスクとして用いることができる。ゲート電極の互いに対向する両側面上には、窒化シリコン膜からなるオフセットスペーサ12が設けられている。オフセットスペーサ12上には更に、酸化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ13が設けられている。   A cap insulating film 11a made of a silicon nitride film is provided on the gate wiring 10a of the transistor Tr1. This cap insulating film 11a is a hard mask for etching the first metal film, the polycrystalline silicon film, the second metal film, and the metal film for gate wiring into the shape of the gate electrode in a later step, It can be used as a mask at the time of impurity implantation for forming the LDD region and the source and drain. On both side surfaces of the gate electrode facing each other, offset spacers 12 made of a silicon nitride film are provided. A sidewall spacer 13 made of a silicon oxide film is further provided on the offset spacer 12.

トランジスタTr2は、半導体基板1内に設けられたnウェル2(第2の活性領域に相当する)、nウェル2内に設けられたLDD領域51b及びp型のソース及びドレイン52b、高誘電率絶縁膜(第2の絶縁材料からなる膜に相当する)を含む第2のゲート絶縁膜、及び第2のゲート電極とから構成されている。第2のゲート電極は、第2のゲート絶縁膜側から順に、第3の金属材料からなる第2の金属ゲート電極7b、p型導電型の第2の多結晶シリコン膜からなる第2の多結晶シリコンゲート電極8b、バリアメタル膜9b、及びゲート配線10bから構成されている。第2のゲート絶縁膜、及び第2のゲート電極の機能及び構成は、トランジスタTr1と同様であるため、ここではその説明を省略する。   The transistor Tr2 includes an n-well 2 (corresponding to a second active region) provided in the semiconductor substrate 1, an LDD region 51b and a p-type source and drain 52b provided in the n-well 2, high dielectric constant insulation A second gate insulating film including a film (corresponding to a film made of a second insulating material) and a second gate electrode are formed. The second gate electrode is, in order from the second gate insulating film side, a second metal gate electrode 7b made of a third metal material, and a second multi-layer made of a p-type conductivity type second polycrystalline silicon film. It is composed of a crystalline silicon gate electrode 8b, a barrier metal film 9b, and a gate wiring 10b. Since the functions and configurations of the second gate insulating film and the second gate electrode are the same as those of the transistor Tr1, description thereof is omitted here.

半導体基板1上には、トランジスタTr1及びTr2を覆うように層間絶縁膜14が設けられている。層間絶縁膜14上には上層配線16が設けられており、上層配線16は層間絶縁膜14内を貫通するように設けられたコンタクトプラグ15を介してソース及びドレイン52a及び52bに電気的に接続されている。   On the semiconductor substrate 1, an interlayer insulating film 14 is provided so as to cover the transistors Tr1 and Tr2. An upper layer wiring 16 is provided on the interlayer insulating film 14, and the upper layer wiring 16 is electrically connected to the source and drain 52 a and 52 b through a contact plug 15 provided so as to penetrate through the interlayer insulating film 14. Has been.

本実施例では、第1及び第2のゲート電極はそれぞれ、第1及び第2の金属ゲート電極7a及び7b上にそれぞれ、p型導電型の第1及び第2の多結晶シリコンゲート電極8a及び8bを有する。また、第1及び第2のゲート絶縁膜は、第1及び第2の金属ゲート電極7a及び7bに接するようにそれぞれ高誘電率絶縁膜6a及び6bを有する。このように、p型寄りの金属ゲート電極にp型導電型の多結晶シリコンを接合させることで、p型寄りの金属フェルミ準位Efから見た価電子帯端Evまでのエネルギー障壁が低くなる。この結果、p型多結晶シリコン中への空乏層の広がりも小さくなることから、抵抗値を低減できる。更に、多結晶シリコン膜上には、タングステン配線との化合を防ぐバリアメタル膜として窒化チタンまたは窒化タンタルなどが形成されている。これらバリアメタル膜も金属ゲート電極と同様に、フェルミ準位がシリコンの価電子帯端付近にあり、p型寄りである。従って、本実施例のように、多結晶シリコンをp型導電型化することで、金属ゲート電極との間のショットキー接合だけでなく、バリアメタル膜との間のショットキー接合に起因する界面抵抗を低減することもできる。   In this embodiment, the first and second gate electrodes are respectively formed on the first and second metal gate electrodes 7a and 7b, respectively, and the p-type conductivity type first and second polycrystalline silicon gate electrodes 8a and 8a, respectively. 8b. The first and second gate insulating films have high dielectric constant insulating films 6a and 6b so as to be in contact with the first and second metal gate electrodes 7a and 7b, respectively. In this way, by joining the p-type conductive polysilicon to the p-type metal gate electrode, the energy barrier from the p-type metal Fermi level Ef to the valence band edge Ev is reduced. . As a result, since the spread of the depletion layer into the p-type polycrystalline silicon is also reduced, the resistance value can be reduced. Further, titanium nitride, tantalum nitride, or the like is formed on the polycrystalline silicon film as a barrier metal film that prevents combination with tungsten wiring. Similar to the metal gate electrode, these barrier metal films have a Fermi level near the valence band edge of silicon and are closer to the p-type. Therefore, as in this embodiment, by making polycrystalline silicon p-type conductivity, not only the Schottky junction with the metal gate electrode but also the interface caused by the Schottky junction with the barrier metal film. Resistance can also be reduced.

トランジスタTr1及びTr2の高誘電率絶縁膜は単層膜であっても、複数の膜の積層膜であっても良い。高誘電率絶縁膜としては例えば、HfSiON、ZrO2、Ta25、Nb25、Al23、HfO2、ScO3、Y23、La23、CeO3、Pr23、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Ho23、Er23、Tm23、Yb23、及びLu23からなる群から選択された少なくとも一種の膜を使用することができる。 The high dielectric constant insulating films of the transistors Tr1 and Tr2 may be a single layer film or a stacked film of a plurality of films. Examples of the high dielectric constant insulating film include HfSiON, ZrO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 , HfO 2 , ScO 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 3 , Pr 2. O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3, and can be used at least one film selected from the group consisting of Lu 2 O 3.

第1及び第2の金属ゲート電極は単層膜であっても、複数の膜の積層膜であっても良く、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ハフニウム、及び炭化チタンからなる群から選択された少なくとも一種の膜を使用することができる。   The first and second metal gate electrodes may be a single layer film or a laminated film of a plurality of films, and at least selected from the group consisting of titanium nitride, tantalum nitride, hafnium nitride, and titanium carbide. A kind of membrane can be used.

トランジスタTr1及びTr2のバリアメタル膜としては、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ハフニウム、及び炭化チタンからなる群から選択された少なくとも一種の膜を使用することができる。ゲート配線としては、タングステン膜を使用することができる。   As the barrier metal film of the transistors Tr1 and Tr2, at least one film selected from the group consisting of titanium nitride, tantalum nitride, hafnium nitride, and titanium carbide can be used. A tungsten film can be used as the gate wiring.

以下では、図2〜10を用いて本実施例の半導体装置の製造方法を説明する。
図2に示すように、シリコン製の半導体基板1内にSTI法などにより素子分離領域4を形成する。この後、半導体基板1内に2段階に分けて不純物を注入することにより、pウェル3及びnウェル2を形成する。半導体基板1の表面を熱酸化して、酸化シリコン膜5を形成する。膜厚は例えば、1nmとする。なお、酸化シリコン膜の代わりに酸窒化シリコン膜を形成しても良い。次に、酸化シリコン膜5上に、高誘電率絶縁膜6を形成する。膜厚は例えば、3nmとする。高誘電率絶縁膜6上に金属ゲート電極用の第1の金属膜7を形成する。膜厚は例えば、10nmとする。なお、第1の金属膜7は、複数の金属層の積層膜としても良い。次に、第1の金属膜7上にアモルファスシリコン膜8を形成する。膜厚は例えば、100nmとする。後の工程でシリコン膜中に注入するp型導電型の不純物は、シリコン中のグレインバウンダリに局在化する傾向にある。このため、図2の工程では、グレインサイズの小さいアモルファスシリコン膜を形成することにより、後の工程では、p型導電型の不純物が均一に分布し易くすることができる。アモルファスシリコン膜8中に、p型導電型の不純物を注入する。この方法によれば、ドーズ量、注入エネルギーの調整がし易いため、アモルファスシリコン膜8中に高濃度の不純物をドープすることができる。不純物元素としてBを使用し、ドーズ量5×1015/cm2、5keVとする。p型導電型の不純物としては例えば、B、In、及びGaからなる群から選択された少なくとも一種の元素を用いることができる。なお、ドーズ量は、1×1015〜1×1016/cm2とすることができる。ドーズ量が1×1015/cm2以上のとき、シリコン膜を所望の低い抵抗値とするこができる。ドーズ量が1×1016/cm2以下のとき、p型導電型の不純物の異常拡散を防止することができる。不純物の注入エネルギーは、不純物が金属膜や高誘電率絶縁膜中に混入しないようなエネルギーを選択する。次に、熱処理によりアモルファスシリコン膜を多結晶シリコン膜として、p型導電型の多結晶シリコン膜8を形成する。また、この熱処理時に、注入した不純物を活性化させるためのアニール(焼きなまし)を行うこともできる。上記の注入条件で不純物を注入し、これを活性化した結果、多結晶シリコン膜8中のp型導電型の不純物濃度は、1×1020〜1×1021/cm3となる。なお、シリコン膜の成膜時に予め多結晶シリコン膜を成膜し、後の工程では多結晶シリコン化のための熱処理を省略しても良い。
Below, the manufacturing method of the semiconductor device of a present Example is demonstrated using FIGS.
As shown in FIG. 2, an element isolation region 4 is formed in a silicon semiconductor substrate 1 by an STI method or the like. Thereafter, the p well 3 and the n well 2 are formed by implanting impurities into the semiconductor substrate 1 in two stages. The surface of the semiconductor substrate 1 is thermally oxidized to form a silicon oxide film 5. The film thickness is 1 nm, for example. Note that a silicon oxynitride film may be formed instead of the silicon oxide film. Next, a high dielectric constant insulating film 6 is formed on the silicon oxide film 5. The film thickness is 3 nm, for example. A first metal film 7 for a metal gate electrode is formed on the high dielectric constant insulating film 6. The film thickness is 10 nm, for example. The first metal film 7 may be a stacked film of a plurality of metal layers. Next, an amorphous silicon film 8 is formed on the first metal film 7. The film thickness is, for example, 100 nm. The p-type conductivity impurity implanted in the silicon film in a later process tends to be localized at the grain boundary in the silicon. For this reason, in the process of FIG. 2, by forming an amorphous silicon film having a small grain size, the p-type conductivity type impurities can be easily distributed uniformly in the subsequent process. A p-type conductivity impurity is implanted into the amorphous silicon film 8. According to this method, since the dose amount and the implantation energy can be easily adjusted, the amorphous silicon film 8 can be doped with a high concentration impurity. B is used as the impurity element, and the dose is 5 × 10 15 / cm 2 and 5 keV. As the p-type conductivity impurity, for example, at least one element selected from the group consisting of B, In, and Ga can be used. The dose amount can be 1 × 10 15 to 1 × 10 16 / cm 2 . When the dose amount is 1 × 10 15 / cm 2 or more, the silicon film can have a desired low resistance value. When the dose amount is 1 × 10 16 / cm 2 or less, abnormal diffusion of p-type conductivity impurities can be prevented. The impurity implantation energy is selected so that the impurities are not mixed into the metal film or the high dielectric constant insulating film. Next, a p-type conductivity type polycrystalline silicon film 8 is formed by heat treatment using the amorphous silicon film as a polycrystalline silicon film. Also, annealing (annealing) for activating the implanted impurities can be performed during this heat treatment. As a result of implanting impurities under the above implantation conditions and activating them, the impurity concentration of the p-type conductivity in the polycrystalline silicon film 8 becomes 1 × 10 20 to 1 × 10 21 / cm 3 . Note that a polycrystalline silicon film may be formed in advance when the silicon film is formed, and the heat treatment for forming the polycrystalline silicon may be omitted in a later process.

図3に示すように、p型導電型の多結晶シリコン膜8上に窒化チタン膜、窒化タンタル膜等の第2の金属膜(導体膜)を形成する。膜厚は例えば、10nmとする。次に、第2の金属膜(導体膜)上にタングステン膜等の第4の金属膜を形成する。膜厚は例えば、80nmとする。更に、第4の金属膜上に窒化シリコン膜を形成する。膜厚は例えば、150nmとする。リソグラフィー技術を用いて窒化シリコン膜をパターニングして、ハードマスクとして機能するキャップ絶縁膜11a、11bを形成する。このハードマスクを用いて、酸化シリコン膜5、高誘電率絶縁膜6、第1の金属膜7、p型導電型の多結晶シリコン膜8、第2の金属膜、及び第4の金属膜の積層体をパターニングする。これにより、pウェル3上には、酸化シリコン膜5a及び高誘電率絶縁膜6aからなる第1のゲート絶縁膜、第1の金属ゲート電極7a、p型導電型の第1の多結晶シリコンゲート電極8a、バリアメタル膜9a、及びゲート配線10aからなる第1のゲート電極が形成される。酸化シリコン膜5a、高誘電率絶縁膜6a、第1の金属ゲート電極7a、第1の多結晶シリコンゲート電極8a、バリアメタル膜9a、及びゲート配線10aは第1の積層体を構成する。また、これと同時に、nウェル2上には、酸化シリコン膜5b及び高誘電率絶縁膜6bからなる第2のゲート絶縁膜、第2の金属ゲート電極7b、p型導電型の第2の多結晶シリコンゲート電極8b、バリアメタル膜9b、及びゲート配線10bからなる第2のゲート電極が形成される。酸化シリコン膜5b、高誘電率絶縁膜6b、第2の金属ゲート電極7b、第2の多結晶シリコンゲート電極8b、バリアメタル膜9b、及びゲート配線10bは第2の積層体を構成する。次に、半導体基板1上に窒化シリコン膜を形成した後、エッチバックを行うことによって、第1及び第2のゲート絶縁膜、及び、第1及び第2のゲート電極の側壁上にオフセットスペーサ12を形成する。このオフセットスペーサ12は、EOT増加の原因となる酸化剤や還元剤が高誘電率絶縁膜6a、6b中に侵入するのを防ぐ機能も有する。   As shown in FIG. 3, a second metal film (conductor film) such as a titanium nitride film or a tantalum nitride film is formed on the p-type conductivity type polycrystalline silicon film 8. The film thickness is 10 nm, for example. Next, a fourth metal film such as a tungsten film is formed on the second metal film (conductor film). The film thickness is, for example, 80 nm. Further, a silicon nitride film is formed on the fourth metal film. The film thickness is, for example, 150 nm. Cap insulating films 11a and 11b functioning as hard masks are formed by patterning the silicon nitride film using a lithography technique. Using this hard mask, the silicon oxide film 5, the high dielectric constant insulating film 6, the first metal film 7, the p-type conductivity type polycrystalline silicon film 8, the second metal film, and the fourth metal film are formed. The laminate is patterned. Thereby, on the p-well 3, the first gate insulating film made of the silicon oxide film 5a and the high dielectric constant insulating film 6a, the first metal gate electrode 7a, the first polycrystalline silicon gate of the p-type conductivity type. A first gate electrode including the electrode 8a, the barrier metal film 9a, and the gate wiring 10a is formed. The silicon oxide film 5a, the high dielectric constant insulating film 6a, the first metal gate electrode 7a, the first polycrystalline silicon gate electrode 8a, the barrier metal film 9a, and the gate wiring 10a constitute the first stacked body. At the same time, on the n-well 2, a second gate insulating film made of the silicon oxide film 5 b and the high dielectric constant insulating film 6 b, a second metal gate electrode 7 b, a p-type conductivity type second multi-layer A second gate electrode including the crystalline silicon gate electrode 8b, the barrier metal film 9b, and the gate wiring 10b is formed. The silicon oxide film 5b, the high dielectric constant insulating film 6b, the second metal gate electrode 7b, the second polycrystalline silicon gate electrode 8b, the barrier metal film 9b, and the gate wiring 10b constitute a second stacked body. Next, after a silicon nitride film is formed on the semiconductor substrate 1, an offset spacer 12 is formed on the side walls of the first and second gate insulating films and the first and second gate electrodes by performing etch back. Form. The offset spacer 12 also has a function of preventing an oxidant and a reducing agent that cause an increase in EOT from entering the high dielectric constant insulating films 6a and 6b.

図4に示すように、pウェル3内にn型の導電型の不純物を注入することにより、LDD領域51aを形成する。次に、nウェル2内にp型の導電型の不純物を注入することにより、LDD領域51bを形成する。更に、半導体基板1上に、酸化シリコン膜を形成した後、エッチバックを行うことによって、第1及び第2のゲート電極の側壁上に、オフセットスペーサ12を介してサイドウォールスペーサ13を形成する。この後、pウェル3内にn型の導電型の不純物を注入することにより、ソース及びドレイン52aを形成する。次に、nウェル2内にp型の導電型の不純物を注入することにより、ソース及びドレイン52bを形成する。これにより、nチャネル型のトランジスタであるTr1と、pチャネル型のトランジスタであるTr2が完成する。半導体基板1上に、層間絶縁膜14を形成する。次に、層間絶縁膜14内に、トランジスタTr1及びTr2のソース及びドレイン52a及び52bを露出させるように、コンタクトホールを形成する。コンタクトホール内に導電材料を埋め込む。この後、CMP処理などにより導電材料の平坦化を行うことによりコンタクトプラグ15を形成する。コンタクトプラグ15に電気的に接続されるように、層間絶縁膜14上に上層配線16を形成する。   As shown in FIG. 4, an LDD region 51a is formed by implanting n-type conductivity type impurities into the p-well 3. Next, an LDD region 51b is formed by implanting p-type conductivity impurities into the n-well 2. Further, after forming a silicon oxide film on the semiconductor substrate 1, etch back is performed to form sidewall spacers 13 via offset spacers 12 on the sidewalls of the first and second gate electrodes. Thereafter, an n-type conductivity impurity is implanted into the p-well 3 to form the source and drain 52a. Next, a source and drain 52b are formed by implanting a p-type conductivity impurity into the n-well 2. Thus, an n-channel transistor Tr1 and a p-channel transistor Tr2 are completed. An interlayer insulating film 14 is formed on the semiconductor substrate 1. Next, contact holes are formed in the interlayer insulating film 14 so as to expose the sources and drains 52a and 52b of the transistors Tr1 and Tr2. A conductive material is embedded in the contact hole. Thereafter, the contact plug 15 is formed by planarizing the conductive material by CMP treatment or the like. An upper wiring 16 is formed on the interlayer insulating film 14 so as to be electrically connected to the contact plug 15.

なお、本実施例では、図2の工程において、アモルファスシリコン膜8を成膜した後に、アモルファスシリコン膜8中にp型導電型の不純物をイオン注入して、p型導電型のアモルファスシリコン膜とした。しかし、この工程の代わりに、p型導電型の不純物を含有するプロセスガスを用いて、アモルファスシリコン膜を成膜しても良い。この方法によれば、p型導電型の不純物を注入する工程を削減することができる。他の方法として、アモルファスシリコン膜を成膜後に、プラズマドーピングによりp型導電型の不純物をアモルファスシリコン膜中に注入しても良い。この方法によれば、処理時間を短縮することができ、アモルファスシリコン膜の表面付近に高濃度の不純物をドープすることができる。   In this embodiment, after the amorphous silicon film 8 is formed in the step of FIG. 2, a p-type conductivity type impurity is ion-implanted into the amorphous silicon film 8 to obtain a p-type conductivity type amorphous silicon film and did. However, instead of this step, an amorphous silicon film may be formed using a process gas containing p-type conductivity type impurities. According to this method, the step of implanting p-type conductivity impurities can be reduced. As another method, after the amorphous silicon film is formed, a p-type conductivity type impurity may be implanted into the amorphous silicon film by plasma doping. According to this method, the processing time can be shortened, and high-concentration impurities can be doped near the surface of the amorphous silicon film.

また、本実施例では、アモルファスシリコン膜を成膜し、p型導電型の不純物を導入した後に、熱処理によりアモルファスシリコン膜を多結晶シリコン膜とした。しかし、多結晶シリコン膜の形成方法はこれに限定されるわけではなく、多結晶シリコン膜を成膜した後に、p型導電型の不純物を導入しても良い。この方法によれば、多結晶シリコン化するための熱処理工程を削減することができる。   In this embodiment, an amorphous silicon film is formed, a p-type conductivity impurity is introduced, and then the amorphous silicon film is converted into a polycrystalline silicon film by heat treatment. However, the method for forming the polycrystalline silicon film is not limited to this, and p-type conductivity impurities may be introduced after the polycrystalline silicon film is formed. According to this method, it is possible to reduce the heat treatment step for forming polycrystalline silicon.

(第2実施例)
本実施例は、第1実施例の構造をDRAM(Dynamic Random Access Memory)の周辺トランジスタとして使用した例に関するものである。図16は、本実施例の半導体装置を表す断面図である。図16に示すように、本実施例の半導体装置は、メモリセル領域Xと周辺回路領域Yとから構成されている。周辺回路領域Yの構造は、第1実施例と同様であるため、その説明を省略する。
(Second embodiment)
The present embodiment relates to an example in which the structure of the first embodiment is used as a peripheral transistor of a DRAM (Dynamic Random Access Memory). FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating the semiconductor device of this example. As shown in FIG. 16, the semiconductor device of this embodiment is composed of a memory cell region X and a peripheral circuit region Y. Since the structure of the peripheral circuit region Y is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.

メモリセル領域Xには、半導体基板内に設けられた溝型のゲート電極21と、ゲート絶縁膜22と、ソース及びドレイン23を備えたメモリセル用トランジスタTr3が設けられている。半導体基板上には順に、第1の層間絶縁膜42、第2の層間絶縁膜49、及び第3の層間絶縁膜50が設けられている。第1の層間絶縁膜42内には、ソース及びドレイン23の一方に接続されるようにビット線34が設けられている。ビット線34は、ソース及びドレインの一方の側から順に、n型導電型の多結晶シリコン膜30b、バリアメタル膜33、及び第4の金属膜32が積層されている。ビット線34上には、キャップ絶縁膜31が設けられている。   In the memory cell region X, a trench-type gate electrode 21 provided in a semiconductor substrate, a gate insulating film 22, and a memory cell transistor Tr 3 including a source and a drain 23 are provided. A first interlayer insulating film 42, a second interlayer insulating film 49, and a third interlayer insulating film 50 are sequentially provided on the semiconductor substrate. A bit line 34 is provided in the first interlayer insulating film 42 so as to be connected to one of the source and drain 23. In the bit line 34, an n-type conductivity type polycrystalline silicon film 30b, a barrier metal film 33, and a fourth metal film 32 are stacked in this order from one side of the source and drain. A cap insulating film 31 is provided on the bit line 34.

第1の層間絶縁膜42内には、ソース及びドレイン23の他方に接続されるように容量コンタクトプラグ60が設けられている。容量コンタクトプラグ60は、ソース及びドレインの他方の側から順に、不純物をドープした多結晶シリコン(DOPOS)膜45、コバルトシリサイド膜46、及びタングステン膜47が設けられている。ビット線34と容量コンタクトプラグ60の間は、オフセットスペーサ用絶縁膜35と容量コンタクトサイドウォール43によって電気的に絶縁されている。第2の層間絶縁膜49内には、容量コンタクトプラグに接続されるように容量コンタクトパッド48が設けられている。容量コンタクトパッド48に接続されるように、下部電極53、容量絶縁膜58及び上部電極55からなるキャパシタCapが設けられている。   A capacitive contact plug 60 is provided in the first interlayer insulating film 42 so as to be connected to the other of the source and the drain 23. The capacitor contact plug 60 is provided with a polycrystalline silicon (DOPOS) film 45 doped with impurities, a cobalt silicide film 46, and a tungsten film 47 in order from the other side of the source and drain. The bit line 34 and the capacitor contact plug 60 are electrically insulated by the offset spacer insulating film 35 and the capacitor contact sidewall 43. A capacitor contact pad 48 is provided in the second interlayer insulating film 49 so as to be connected to the capacitor contact plug. A capacitor Cap including a lower electrode 53, a capacitor insulating film 58, and an upper electrode 55 is provided so as to be connected to the capacitor contact pad 48.

このキャパシタ、トランジスタからメモリセルが構成され、複数のメモリセルからDRAMが構成されている。   A memory cell is composed of the capacitor and the transistor, and a DRAM is composed of a plurality of memory cells.

本実施例では、周辺回路領域Yの第1及び第2のゲート電極において、多結晶シリコン膜/金属界面の接触(界面)抵抗を低減することができる。更に、多結晶シリコン膜上には、タングステン配線との反応を防ぐバリアメタル膜として窒化チタンまたは窒化タンタルなどを形成する。このため、多結晶シリコン膜とバリアメタル膜間のショットキー接合に起因する抵抗値を低減することもできる。この結果、DRAMを備えた半導体装置全体を高性能化させることができる。   In the present embodiment, the contact (interface) resistance of the polycrystalline silicon film / metal interface can be reduced in the first and second gate electrodes in the peripheral circuit region Y. Further, titanium nitride, tantalum nitride or the like is formed on the polycrystalline silicon film as a barrier metal film for preventing reaction with the tungsten wiring. For this reason, the resistance value resulting from the Schottky junction between the polycrystalline silicon film and the barrier metal film can also be reduced. As a result, the overall performance of the semiconductor device including the DRAM can be improved.

以下では、図5〜16を参照して、本実施例の半導体装置の製造方法を説明する。なお、以下では、完成前のメモリセルを形成する領域及び周辺回路を形成する領域をそれぞれ、「メモリセル形成領域A」及び「周辺回路形成領域B」とし、完成した領域である「メモリセル領域X」及び「周辺回路領域Y」とは区別して説明する。   Below, with reference to FIGS. 5-16, the manufacturing method of the semiconductor device of a present Example is demonstrated. In the following, a region for forming a memory cell before completion and a region for forming a peripheral circuit are referred to as a “memory cell formation region A” and a “peripheral circuit formation region B”, respectively. X and “peripheral circuit region Y” will be described separately.

図5に示すように、STI法などにより、半導体基板1内に素子分離領域4を形成する。次に、周辺回路形成領域B内にpウェル3及びnウェル2を形成し、メモリセル形成領域A内にp型導電型の不純物を注入する。リソグラフィー技術を用いて、メモリセル形成領域内にトレンチを形成する。熱処理などにより、トレンチの内壁上に酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜22を形成する。この後、トレンチ内を埋め込むようにゲート電極21及び窒化シリコン膜からなるキャップ絶縁膜31を形成する。この後、メモリセル形成領域A内に、n型導電型の不純物を注入することにより、ソース及びドレイン23を形成する。これにより、メモリセル用トランジスタTr3が完成する。CVD法等により半導体基板1上に絶縁膜を形成した後、リソグラフィー技術により、周辺回路形成領域B上の絶縁膜を除去することにより、ビットコンタクト層間絶縁膜24を形成する。次に、半導体基板1上に、酸化シリコン膜25、高誘電率絶縁膜26、及び第1の金属膜27を形成する。   As shown in FIG. 5, the element isolation region 4 is formed in the semiconductor substrate 1 by STI method or the like. Next, the p well 3 and the n well 2 are formed in the peripheral circuit formation region B, and a p-type conductivity impurity is implanted into the memory cell formation region A. A trench is formed in the memory cell formation region by using a lithography technique. A gate insulating film 22 made of a silicon oxide film is formed on the inner wall of the trench by heat treatment or the like. Thereafter, a cap insulating film 31 made of a gate electrode 21 and a silicon nitride film is formed so as to fill the trench. Thereafter, an n-type conductivity impurity is implanted into the memory cell formation region A, thereby forming the source and drain 23. Thereby, the memory cell transistor Tr3 is completed. After forming an insulating film on the semiconductor substrate 1 by CVD or the like, the bit contact interlayer insulating film 24 is formed by removing the insulating film on the peripheral circuit forming region B by lithography. Next, a silicon oxide film 25, a high dielectric constant insulating film 26, and a first metal film 27 are formed on the semiconductor substrate 1.

図6に示すように、周辺回路形成領域B上に第1のマスク28aを形成した後、第1のマスク28aを用いたエッチングにより、メモリセル形成領域A上の酸化シリコン膜25、高誘電率絶縁膜26、及び第1の金属膜27を除去する。   As shown in FIG. 6, after the first mask 28a is formed on the peripheral circuit formation region B, the silicon oxide film 25 on the memory cell formation region A and the high dielectric constant are formed by etching using the first mask 28a. The insulating film 26 and the first metal film 27 are removed.

図7に示すように、第1のマスク28aを除去した後、半導体基板1上に、メモリセル形成領域A内のビットコンタクト層間絶縁膜24を露出させる開口29を有する第2のマスク28bを形成する。第2のマスク28bを用いて、露出したビットコンタクト層間絶縁膜24を除去する。   As shown in FIG. 7, after removing the first mask 28a, a second mask 28b having an opening 29 exposing the bit contact interlayer insulating film 24 in the memory cell formation region A is formed on the semiconductor substrate 1. To do. Using the second mask 28b, the exposed bit contact interlayer insulating film 24 is removed.

図8に示すように、第2のマスク28bを除去した後、半導体基板1上に多結晶シリコン膜30を形成する。メモリセル形成領域A上に第3のマスク28cを設けた後、周辺回路形成領域B上の多結晶シリコン膜30中に、p型導電型の不純物をイオン注入することにより、p型導電型の多結晶シリコン膜30aを形成する。   As shown in FIG. 8, after removing the second mask 28 b, a polycrystalline silicon film 30 is formed on the semiconductor substrate 1. After the third mask 28c is provided on the memory cell formation region A, a p-type conductivity type impurity is ion-implanted into the polycrystalline silicon film 30 on the peripheral circuit formation region B, thereby forming a p-type conductivity type. A polycrystalline silicon film 30a is formed.

図9に示すように、第3のマスク28cを除去した後、周辺回路形成領域B上の多結晶シリコン膜30aを覆うように、第4のマスク28dを形成する。メモリセル形成領域A上の多結晶シリコン膜30内にn型導電型の不純物をイオン注入することにより、n型導電型の多結晶シリコン膜30bを形成する。   As shown in FIG. 9, after removing the third mask 28c, a fourth mask 28d is formed so as to cover the polycrystalline silicon film 30a on the peripheral circuit formation region B. An n-type conductivity type polycrystalline silicon film 30b is formed by ion-implanting n-type conductivity type impurities into the polycrystalline silicon film 30 on the memory cell formation region A.

図10に示すように、多結晶シリコン膜30a及び30b上に順に、窒化タングステンからなる第2の金属膜33、タングステンからなる第4の金属膜32、及び窒化シリコン膜31を形成する。第5のマスク28eを用いて窒化シリコン膜31をパターニングすることにより、キャップ絶縁膜31からなるハードマスクを形成する。   As shown in FIG. 10, a second metal film 33 made of tungsten nitride, a fourth metal film 32 made of tungsten, and a silicon nitride film 31 are sequentially formed on the polycrystalline silicon films 30a and 30b. By patterning the silicon nitride film 31 using the fifth mask 28e, a hard mask made of the cap insulating film 31 is formed.

図11に示すように、第5のマスク28eを除去した後、ハードマスクを用いたエッチングを行うことにより、周辺回路形成領域Bでは第4の金属膜32、第2の金属膜33、p型導電型の多結晶シリコン膜30a、第1の金属膜27、高誘電率絶縁膜26、及び酸化シリコン膜25をパターニングする。これと同時に、メモリセル形成領域Aでは、第4の金属膜32、第2の金属膜33、及びn型導電型の多結晶シリコン膜30bをパターニングする。これにより、周辺回路形成領域Bではpウェル3上に設けられた第1のゲート絶縁膜及び第1のゲート電極、nウェル2上に設けられた第2のゲート絶縁膜及び第2のゲート電極を形成し、メモリセル形成領域Aではビット線を形成する。   As shown in FIG. 11, by removing the fifth mask 28e and then performing etching using a hard mask, the fourth metal film 32, the second metal film 33, and the p-type are formed in the peripheral circuit formation region B. The conductive type polycrystalline silicon film 30a, the first metal film 27, the high dielectric constant insulating film 26, and the silicon oxide film 25 are patterned. At the same time, in the memory cell formation region A, the fourth metal film 32, the second metal film 33, and the n-type conductivity type polycrystalline silicon film 30b are patterned. As a result, in the peripheral circuit formation region B, the first gate insulating film and the first gate electrode provided on the p well 3, and the second gate insulating film and the second gate electrode provided on the n well 2. In the memory cell formation region A, a bit line is formed.

図12に示すように、CVD法等により、半導体基板1上に、オフセットスペーサ用絶縁膜として窒化シリコン膜35を形成する。メモリセル形成領域A上に第6のマスク(図示していない)を形成した後、窒化シリコン膜35のエッチバックを行う。これにより、第1及び第2のゲート絶縁膜並びに第1及び第2のゲート電極の側壁上に、窒化シリコン膜からなるオフセットスペーサ36を形成する。次に、第6のマスクを除去した後、公知のイオン注入法により、pウェル3内にLDD領域37a、nウェル2内にLDD領域37bを形成する。   As shown in FIG. 12, a silicon nitride film 35 is formed as an offset spacer insulating film on the semiconductor substrate 1 by a CVD method or the like. After a sixth mask (not shown) is formed on the memory cell formation region A, the silicon nitride film 35 is etched back. Thus, offset spacers 36 made of a silicon nitride film are formed on the side walls of the first and second gate insulating films and the first and second gate electrodes. Next, after removing the sixth mask, an LDD region 37a is formed in the p-well 3 and an LDD region 37b is formed in the n-well 2 by a known ion implantation method.

図13に示すように、半導体基板1上に酸化シリコン膜38を形成した後、メモリセル形成領域A上に第7のマスク(図示していない)を形成する。この後、酸化シリコン膜38のエッチバックを行うことにより、第1及び第2のゲート絶縁膜並びに第1及び第2のゲート電極の側壁上に、窒化シリコン膜からなるオフセットスペーサ39を形成する。次に、第7のマスクを除去した後、公知のイオン注入法により、pウェル3内にソース及びドレイン40a、nウェル2内にソース及びドレイン40bを形成する。   As shown in FIG. 13, after the silicon oxide film 38 is formed on the semiconductor substrate 1, a seventh mask (not shown) is formed on the memory cell formation region A. Thereafter, the silicon oxide film 38 is etched back to form an offset spacer 39 made of a silicon nitride film on the side walls of the first and second gate insulating films and the first and second gate electrodes. Next, after removing the seventh mask, the source and drain 40a are formed in the p-well 3 and the source and drain 40b are formed in the n-well 2 by a known ion implantation method.

図14に示すように、半導体基板1上に酸化シリコン膜を形成した後、キャップ絶縁膜をストッパーとして酸化シリコン膜のCMP処理を行うことにより、第1の層間絶縁膜42を形成する。この後、リソグラフィー技術により、周辺回路形成領域B内のソース及びドレイン40a及び40bを露出させるように、第1の層間絶縁膜42内にコンタクトホール41を形成する。次に、リソグラフィー技術により、メモリセル形成領域A内のソース及びドレイン23を露出させるように、第1の層間絶縁膜42内に容量コンタクトホール44を形成する。次に、メモリセル形成領域A上に窒化シリコン膜を形成した後、エッチバックを行うことにより、容量コンタクトホール44の内壁側面上に容量コンタクトサイドウォール43を形成する。   As shown in FIG. 14, after the silicon oxide film is formed on the semiconductor substrate 1, the first interlayer insulating film 42 is formed by performing a CMP process on the silicon oxide film using the cap insulating film as a stopper. Thereafter, a contact hole 41 is formed in the first interlayer insulating film 42 so as to expose the source and drain 40a and 40b in the peripheral circuit formation region B by lithography. Next, a capacitor contact hole 44 is formed in the first interlayer insulating film 42 so as to expose the source and drain 23 in the memory cell formation region A by lithography. Next, after forming a silicon nitride film on the memory cell formation region A, etch back is performed to form the capacitor contact sidewall 43 on the inner wall side surface of the capacitor contact hole 44.

図15に示すように、周辺回路形成領域B上にマスク(図示していない)を設けた後、容量コンタクトホール44の下部に不純物をドープした多結晶シリコン膜(DOPOS)45を形成する。このマスクを除去した後、スパッタ法等により、多結晶シリコン膜45上並びにソース及びドレイン40a及び40b上に、コバルト膜を形成する。熱処理により、コバルト膜をシリサイド化してコバルトシリサイド膜46とする。次に、容量コンタクトホール44及びコンタクトホール41を埋め込むようにタングステン膜を形成した後、平坦化処理により、第1の層間絶縁膜42上のタングステン膜を除去する。これにより、メモリセル形成領域Aにおいて、多結晶シリコン膜45、コバルトシリサイド膜46、及びタングステン膜47から構成される容量コンタクトプラグ60を形成する。また、周辺回路形成領域Bにおいて、コバルトシリサイド膜46、及びタングステン膜43から構成されるコンタクトプラグ43を形成する。第1の層間絶縁膜42上にタングステン膜を形成した後、これをパターニングする。これにより、メモリセル形成領域Aの容量コンタクトプラグ60に接続された容量コンタクトパッド48、周辺回路形成領域Bのコンタクトプラグ43に接続された配線62を形成する。   As shown in FIG. 15, after providing a mask (not shown) on the peripheral circuit formation region B, a polycrystalline silicon film (DOPOS) 45 doped with impurities is formed below the capacitor contact hole 44. After removing the mask, a cobalt film is formed on the polycrystalline silicon film 45 and the source and drains 40a and 40b by sputtering or the like. The cobalt film is silicided by heat treatment to form a cobalt silicide film 46. Next, after a tungsten film is formed so as to fill the capacitor contact hole 44 and the contact hole 41, the tungsten film on the first interlayer insulating film 42 is removed by planarization treatment. Thereby, in the memory cell formation region A, the capacitor contact plug 60 composed of the polycrystalline silicon film 45, the cobalt silicide film 46, and the tungsten film 47 is formed. In the peripheral circuit formation region B, a contact plug 43 composed of a cobalt silicide film 46 and a tungsten film 43 is formed. A tungsten film is formed on the first interlayer insulating film 42 and then patterned. As a result, the capacitor contact pad 48 connected to the capacitor contact plug 60 in the memory cell formation region A and the wiring 62 connected to the contact plug 43 in the peripheral circuit formation region B are formed.

図16に示すように、第1の層間絶縁膜42上に窒化シリコン膜を形成する。この後、CMP処理により、窒化シリコン膜を平坦化させることにより、第2の層間絶縁膜49を形成する。第2の層間絶縁膜49上に、酸化シリコン膜からなる第3の層間絶縁膜50を形成する。この後、第2及び第3の層間絶縁膜49及び50内にキャパシタホールを形成する。キャパシタホールの内壁上に下部電極53を形成する。この後、リソグラフィー技術により、メモリセル形成領域Aの第3の層間絶縁膜50を除去する。下部電極53の表面上に容量絶縁膜58を形成する。この後、キャパシタホール内、及びキャパシタホール間を埋め込むように、上部電極55を形成する。これにより、下部電極53、容量絶縁膜58、及び上部電極55を有するキャパシタを形成する。キャパシタは、容量コンタクトパッド48及び容量コンタクトプラグ60を介して、ソース及びドレイン23の一方に電気的に接続されている。これにより、キャパシタ、トランジスタ、及びビット線を有するDRAM(Dynamic Random Access Memory)を備えた、本実施例の半導体装置が完成する。   As shown in FIG. 16, a silicon nitride film is formed on the first interlayer insulating film 42. Thereafter, the second interlayer insulating film 49 is formed by planarizing the silicon nitride film by CMP. A third interlayer insulating film 50 made of a silicon oxide film is formed on the second interlayer insulating film 49. Thereafter, capacitor holes are formed in the second and third interlayer insulating films 49 and 50. A lower electrode 53 is formed on the inner wall of the capacitor hole. Thereafter, the third interlayer insulating film 50 in the memory cell formation region A is removed by a lithography technique. A capacitive insulating film 58 is formed on the surface of the lower electrode 53. Thereafter, the upper electrode 55 is formed so as to fill the capacitor holes and between the capacitor holes. Thus, a capacitor having the lower electrode 53, the capacitor insulating film 58, and the upper electrode 55 is formed. The capacitor is electrically connected to one of the source and the drain 23 via the capacitive contact pad 48 and the capacitive contact plug 60. Thereby, the semiconductor device of this embodiment including a DRAM (Dynamic Random Access Memory) having a capacitor, a transistor, and a bit line is completed.

なお、上記実施例では、n型導電型の多結晶シリコン膜、バリアメタル膜、及び第4の金属膜からなるビット線34とした。しかしながら、ビット線の構造はこれに限定されるわけではなく、多結晶シリコン膜を省いて、バリアメタル膜及び第4の金属膜からなるビット線としても良い。この場合、ビット線用に多結晶シリコン膜中にn型導電型の不純物を注入する図16の工程を不要とすることができる。   In the above embodiment, the bit line 34 is made of an n-type conductivity type polycrystalline silicon film, a barrier metal film, and a fourth metal film. However, the structure of the bit line is not limited to this, and the polycrystalline silicon film may be omitted and a bit line made of a barrier metal film and a fourth metal film may be used. In this case, the step of FIG. 16 for injecting an n-type conductivity type impurity into the polycrystalline silicon film for the bit line can be eliminated.

1 半導体基板
2 nウェル
3 pウェル
4 素子分離領域
5、5a、5b 酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜
6、6a、6b 高誘電率絶縁膜(High−K膜)
7 第1の金属膜
7a 第1の金属ゲート電極
7b 第2の金属ゲート電極
8 アモルファスシリコン膜
8a p型導電型の第1の多結晶シリコン膜
8b p型導電型の第2の多結晶シリコン膜
9、9a、9b バリアメタル膜
10 第4の金属膜
10a、10b ゲート配線
11 窒化シリコン膜
11a、11b キャップ絶縁膜
12 オフセットスペーサ
13 サイドウォールスペーサ
14 層間絶縁膜
15 コンタクトプラグ
16 上層配線
21 ゲート電極
22 ゲート絶縁膜
23 ソース及びドレイン
24 ビットコンタクト層間絶縁膜
25 酸化シリコン膜
26 高誘電率絶縁膜
27 第1の金属膜
28a 第1のマスク
28b 第2のマスク
28c 第3のマスク
28d 第4のマスク
28e 第5のマスク
29 コンタクトホール
30 多結晶シリコン膜
30a p型導電型の多結晶シリコン膜
30b n型導電型の多結晶シリコン膜
31 キャップ絶縁膜
32 第4の金属膜
33 第2の金属膜
34 ビット線
35 オフセットスペーサ用絶縁膜
36 オフセットスペーサ
37a、37b LDD領域
38 酸化シリコン膜
39 オフセットスペーサ
40a、40b ソース及びドレイン
41 コンタクトホール
42 第1の層間絶縁膜
43 容量コンタクトサイドウォール
44 容量コンタクトホール
45 多結晶シリコン(DOPOS)膜
46 コバルトシリサイド膜
47 タングステン膜
48 容量コンタクトパッド
49 第2の層間絶縁膜
50 第3の層間絶縁膜
51a、51b LDD領域
52a、52b ソース及びドレイン
53 下部電極
55 上部電極
58 容量絶縁膜
60 容量コンタクトプラグ
62 配線
A メモリセル形成領域
B 周辺回路形成領域
Cap キャパシタ
Tr1 nチャネル型のトランジスタ
Tr2 pチャネル型のトランジスタ
Tr3 メモリセル用トランジスタ
X メモリセル領域
Y 周辺経路領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 N well 3 P well 4 Element isolation region 5, 5a, 5b Silicon oxide film or silicon nitride film 6, 6a, 6b High dielectric constant insulating film (High-K film)
7 first metal film 7a first metal gate electrode 7b second metal gate electrode 8 amorphous silicon film 8a p-type conductivity type first polycrystalline silicon film 8b p-type conductivity type second polycrystalline silicon film 9, 9a, 9b Barrier metal film 10 Fourth metal film 10a, 10b Gate wiring 11 Silicon nitride film 11a, 11b Cap insulating film 12 Offset spacer 13 Side wall spacer 14 Interlayer insulating film 15 Contact plug 16 Upper wiring 21 Gate electrode 22 Gate insulating film 23 Source and drain 24 Bit contact interlayer insulating film 25 Silicon oxide film 26 High dielectric constant insulating film 27 First metal film 28a First mask 28b Second mask 28c Third mask 28d Fourth mask 28e Fifth mask 29 contact hole 30 polycrystalline silicon film 30a p-type conductive Electrically-type polycrystalline silicon film 30b n-type conductive-type polycrystalline silicon film 31 Cap insulating film 32 Fourth metal film 33 Second metal film 34 Bit line 35 Insulating film for offset spacer 36 Offset spacers 37a and 37b LDD region 38 Silicon oxide film 39 Offset spacers 40a, 40b Source and drain 41 Contact hole 42 First interlayer insulating film 43 Capacitor contact sidewall 44 Capacitor contact hole 45 Polycrystalline silicon (DOPOS) film 46 Cobalt silicide film 47 Tungsten film 48 Capacitor contact Pad 49 Second interlayer insulating film 50 Third interlayer insulating film 51a, 51b LDD regions 52a, 52b Source and drain 53 Lower electrode 55 Upper electrode 58 Capacitor insulating film 60 Capacitor contact plug 62 Wiring A Memory cell formation region B peripheral circuit formation region Cap capacitor Tr1 n-channel transistor Tr2 p-channel type transistor Tr3 memory cell transistor X memory cell region Y surrounding the path area of the

Claims (20)

半導体基板の主面に形成された、p型導電型の第1の活性領域と、
前記第1の活性領域の表面の一部を覆い、二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する第1の絶縁材料を含む第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜を介して前記第1の活性領域上に形成され、第1の金属材料からなる第1の金属ゲート電極と、
前記第1の金属ゲート電極上に形成され、p型導電型の第1の多結晶シリコン膜からなる第1の多結晶シリコンゲート電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
A p-type conductivity type first active region formed on the main surface of the semiconductor substrate;
A first gate insulating film covering a part of the surface of the first active region and including a first insulating material having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide;
A first metal gate electrode formed on the first active region via the first gate insulating film and made of a first metal material;
A first polycrystalline silicon gate electrode formed on the first metal gate electrode and made of a p-type conductivity type first polycrystalline silicon film;
A semiconductor device comprising:
前記第1の金属材料の仕事関数は、真性半導体状態のシリコンの仕事関数よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a work function of the first metal material is larger than a work function of silicon in an intrinsic semiconductor state. 前記第1の金属材料は、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ハフニウム、及び炭化チタンからなる群から選択された少なくとも一種の膜からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first metal material is made of at least one film selected from the group consisting of titanium nitride, tantalum nitride, hafnium nitride, and titanium carbide. 前記第1の多結晶シリコン膜上に形成され、真性半導体状態のシリコンよりも大きい仕事関数を有する第2の金属材料からなる導電膜を更に有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置。   4. The method according to claim 1, further comprising a conductive film made of a second metal material formed on the first polycrystalline silicon film and having a work function larger than that of intrinsic semiconductor silicon. 2. A semiconductor device according to item 1. 前記第2の金属材料は、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ハフニウム、及び炭化チタンからなる群から選択された少なくとも一種の膜からなることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 4, wherein the second metal material is made of at least one film selected from the group consisting of titanium nitride, tantalum nitride, hafnium nitride, and titanium carbide. 前記第1の絶縁材料は、HfSiON、ZrO2、Ta25、Nb25、Al23、HfO2、ScO3、Y23、La23、CeO3、Pr23、Nd23、Sm23、Eu23、Gd23、Tb23、Dy23、Ho23、Er23、Tm23、Yb23、及びLu23からなる群から選択された少なくとも一種の膜からなることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体装置。 The first insulating material is HfSiON, ZrO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 , HfO 2 , ScO 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 3 , Pr 2 O. 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Yb 2 O 3, and the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it consists of at least one film selected from the group consisting of Lu 2 O 3. 前記第1の多結晶シリコン膜中のp型導電型の不純物濃度が、1×1020〜1×1021/cm3であることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の半導体装置。 7. The p-type conductivity impurity concentration in the first polycrystalline silicon film is 1 × 10 20 to 1 × 10 21 / cm 3. 7. Semiconductor device. 前記第1の多結晶シリコン膜は、B、In及びGaからなる群から選択された少なくとも一種の元素を含有することを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first polycrystalline silicon film contains at least one element selected from the group consisting of B, In, and Ga. 前記半導体基板の主面の前記第1の活性領域とは異なる位置に形成された、n型導電型の第2の活性領域と、
前記第2の活性領域の表面の一部を覆い、二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する第2の絶縁材料を含む第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜を介して前記第2の活性領域上に形成され、第3の金属材料からなる第2の金属ゲート電極と、
前記第2の金属ゲート電極上に形成され、p型導電型の第2の多結晶シリコン膜からなる第2の多結晶シリコンゲート電極と、
を有することを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の半導体装置。
An n-type conductivity type second active region formed at a position different from the first active region on the main surface of the semiconductor substrate;
A second gate insulating film covering a part of the surface of the second active region and including a second insulating material having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide;
A second metal gate electrode formed on the second active region via the second gate insulating film and made of a third metal material;
A second polycrystalline silicon gate electrode formed on the second metal gate electrode and made of a p-type conductivity type second polycrystalline silicon film;
The semiconductor device according to claim 1, comprising:
前記第1の絶縁材料と前記第2の絶縁材料とは同じ材料からなり、
前記第1の金属材料と前記第3の金属材料とは同じ材料からなり、
前記第1の多結晶シリコン膜と前記第2の多結晶シリコン膜とは不純物濃度が等しいことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
The first insulating material and the second insulating material are made of the same material,
The first metal material and the third metal material are made of the same material,
The semiconductor device according to claim 9, wherein the first polycrystalline silicon film and the second polycrystalline silicon film have the same impurity concentration.
更に、周辺回路とDRAMとを有し、
前記第1のゲート絶縁膜、前記第1の金属ゲート電極および前記第1の多結晶シリコンゲート電極は、前記第1の活性領域に配置されるnチャネル型トランジスタを構成し、
前記第2のゲート絶縁膜、前記第2の金属ゲート電極および前記第2の多結晶シリコンゲート電極は、前記第2の活性領域に配置されるpチャネル型トランジスタを構成し、
前記周辺回路は、前記nチャネル型トランジスタおよび前記pチャネル型トランジスタにより構成され、
前記DRAMは、メモリセル用トランジスタと、前記メモリセル用トランジスタのソース及びドレインの一方に電気的に接続されたキャパシタと、前記メモリセル用トランジスタのソース及びドレインの他方に電気的に接続されると共にn型導電型の多結晶シリコン膜を有するビット線とにより構成されることを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置。
Furthermore, it has a peripheral circuit and a DRAM,
The first gate insulating film, the first metal gate electrode, and the first polycrystalline silicon gate electrode constitute an n-channel transistor disposed in the first active region,
The second gate insulating film, the second metal gate electrode, and the second polycrystalline silicon gate electrode constitute a p-channel transistor disposed in the second active region,
The peripheral circuit includes the n-channel transistor and the p-channel transistor,
The DRAM is electrically connected to the memory cell transistor, a capacitor electrically connected to one of the source and drain of the memory cell transistor, and the other of the source and drain of the memory cell transistor. 11. The semiconductor device according to claim 9, comprising a bit line having an n-type conductivity type polycrystalline silicon film.
nチャネル型トランジスタとpチャネル型トランジスタを有する半導体装置であって、
前記nチャネル型トランジスタ及びpチャネル型トランジスタはそれぞれ、
半導体基板上に設けられ、二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する絶縁膜を含むゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられ、前記ゲート絶縁膜側から順に金属材料からなる金属ゲート電極と、p型導電型の多結晶シリコン膜とを有するゲート電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having an n-channel transistor and a p-channel transistor,
The n-channel transistor and the p-channel transistor are respectively
A gate insulating film provided on a semiconductor substrate and including an insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide;
A gate electrode provided on the gate insulating film and having a metal gate electrode made of a metal material in order from the gate insulating film side; and a p-type conductivity type polycrystalline silicon film;
A semiconductor device comprising:
半導体基板の主面にp型導電型の第1の活性領域を形成する工程と、
前記半導体基板の主面を覆うように、二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する絶縁膜、第1の金属膜、および、p型導電型の多結晶シリコン膜を有する積層膜を順に形成する工程と、
前記積層膜を前記第1の活性領域の表面の一部を覆うように加工して、前記絶縁膜からなる第1のゲート絶縁膜、前記第1の金属膜からなる第1の金属ゲート電極、および、前記p型導電型の多結晶シリコン膜からなる第1の多結晶シリコンゲート電極を有する第1の積層体を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a p-type conductivity type first active region on a main surface of a semiconductor substrate;
Forming an insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide, a first metal film, and a laminated film having a p-type conductivity type polycrystalline silicon film in order so as to cover the main surface of the semiconductor substrate; ,
The laminated film is processed so as to cover a part of the surface of the first active region, and a first gate insulating film made of the insulating film, a first metal gate electrode made of the first metal film, And forming a first stacked body having a first polycrystalline silicon gate electrode made of the p-type conductivity type polycrystalline silicon film,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1の金属膜として、真性半導体状態のシリコンよりも仕事関数が大きい金属材料を用いることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein a metal material having a work function larger than that of intrinsic semiconductor silicon is used as the first metal film. 前記第1の金属膜として、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ハフニウム、及び炭化チタンからなる群から選択された少なくとも一種の金属材料を用いることを特徴とする請求項13又は14に記載の半導体装置の製造方法。   15. The semiconductor device according to claim 13, wherein at least one metal material selected from the group consisting of titanium nitride, tantalum nitride, hafnium nitride, and titanium carbide is used as the first metal film. Production method. 前記第1の積層体を形成する工程の前に、前記p型導電型の多結晶シリコン膜上に、真性半導体状態のシリコンよりも仕事関数が大きい第2の金属材料からなる第2の金属膜を形成する工程を更に有し、
前記第1の積層体を形成する工程では、前記第2の金属膜も前記第1の活性領域の表面の一部を覆うように加工して、前記第1のゲート絶縁膜、前記第1の金属ゲート電極および前記第1の多結晶シリコンゲート電極に加えて、前記第2の金属膜からなる導電膜を有する第1の積層体を形成することを特徴とする請求項13〜15の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
Before the step of forming the first stacked body, a second metal film made of a second metal material having a work function larger than that of silicon in an intrinsic semiconductor state is formed on the p-type conductivity type polycrystalline silicon film. Further comprising the step of forming
In the step of forming the first stacked body, the second metal film is also processed so as to cover a part of the surface of the first active region, and the first gate insulating film, the first The first stacked body having a conductive film made of the second metal film in addition to the metal gate electrode and the first polycrystalline silicon gate electrode is formed. 2. A method for manufacturing a semiconductor device according to item 1.
前記第2の金属材料として、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ハフニウム、及び炭化チタンからなる群から選択された少なくとも一種の膜を用いることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein at least one film selected from the group consisting of titanium nitride, tantalum nitride, hafnium nitride, and titanium carbide is used as the second metal material. 前記半導体基板の主面の前記第1の活性領域とは異なる位置に、n型導電型の第2の活性領域を形成する工程を更に有し、
前記第1の積層体を形成する工程では、
前記積層膜を、前記第1の活性領域の表面の一部に加えて前記第2の活性領域の表面の一部も覆うように加工して、前記絶縁膜からなる第2のゲート絶縁膜、前記第1の金属膜からなる第2の金属ゲート電極、および、前記p型導電型の多結晶シリコン膜からなる第2の多結晶シリコンゲート電極を有する第2の積層体を、前記第1の積層体と同時に形成することを特徴とする請求項13〜17の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
Forming a second active region of n-type conductivity at a position different from the first active region of the main surface of the semiconductor substrate;
In the step of forming the first laminate,
Processing the laminated film so as to cover a part of the surface of the second active region in addition to a part of the surface of the first active region, and a second gate insulating film made of the insulating film; A second stacked body having a second metal gate electrode made of the first metal film and a second polycrystalline silicon gate electrode made of the p-type conductivity type polycrystalline silicon film; The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the semiconductor device is formed simultaneously with the stacked body.
前記積層膜を形成する工程よりも前に、
前記半導体基板の主面の前記第1及び第2の活性領域とは異なるメモリセル形成領域に、メモリセル用トランジスタを形成する工程を更に有し、
前記積層膜を形成する工程は、
前記半導体基板の主面を覆うように、二酸化シリコンよりも高い誘電率を有する絶縁膜、第1の金属膜、および、多結晶シリコン膜を順に形成する工程と、
前記第1及び第2の活性領域の前記多結晶シリコン膜をp型導電型化することで、前記p型導電型の多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記メモリセル形成領域の前記多結晶シリコン膜をn型導電型化することで、n型導電型の多結晶シリコン膜を形成する工程と、
を有し、
前記第1の積層体および前記第2の積層体を形成する工程では、
前記積層膜のうち、前記メモリセル形成領域の前記n型導電型の多結晶シリコン膜を加工して、前記n型導電型の多結晶シリコン膜からなるビット線を形成し、
前記ビット線は、前記メモリセル用トランジスタのソース及びドレインの一方に接続されるように形成し、
前記メモリセル用トランジスタのソース及びドレインの他方に接続されるようにキャパシタを形成する工程を更に有することを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
Before the step of forming the laminated film,
Forming a memory cell transistor in a memory cell forming region different from the first and second active regions on the main surface of the semiconductor substrate;
The step of forming the laminated film includes
Forming an insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide, a first metal film, and a polycrystalline silicon film in order so as to cover the main surface of the semiconductor substrate;
Forming the polycrystalline silicon film of the p-type conductivity by converting the polycrystalline silicon film of the first and second active regions to a p-type conductivity,
Forming an n-type conductivity type polycrystalline silicon film by converting the polycrystalline silicon film in the memory cell formation region to an n-type conductivity type;
Have
In the step of forming the first laminate and the second laminate,
Processing the n-type conductivity type polycrystalline silicon film in the memory cell formation region of the stacked film to form a bit line made of the n-type conductivity type polycrystalline silicon film;
The bit line is formed to be connected to one of a source and a drain of the memory cell transistor,
19. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 18, further comprising a step of forming a capacitor so as to be connected to the other of the source and the drain of the memory cell transistor.
前記p型導電型の多結晶シリコン膜は、下記工程(1)〜(6)のうち何れか一つの方法により形成されることを特徴とする請求項13〜19の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(1)p型導電型の多結晶シリコン膜を成膜する工程、
(2)p型導電型のアモルファスシリコン膜を成膜した後、アモルファスシリコン膜に熱処理を行うことにより多結晶シリコン膜とする工程、
(3)多結晶シリコン膜を成膜した後、多結晶シリコン膜中にp型導電型の不純物をイオン注入する工程、
(4)多結晶シリコン膜を成膜した後、多結晶シリコン膜中にp型導電型の不純物をプラズマドーピングする工程、
(5)アモルファスシリコン膜を成膜した後、アモルファスシリコン膜中にp型導電型の不純物をイオン注入し、更にアモルファスシリコン膜に熱処理を行うことにより多結晶シリコン膜とする工程、
(6)アモルファスシリコン膜を成膜した後、アモルファスシリコン膜中にp型導電型の不純物をプラズマドーピングし、更にアモルファスシリコン膜に熱処理を行うことにより多結晶シリコン膜とする工程。
The p-type conductivity type polycrystalline silicon film is formed by any one of the following steps (1) to (6). A method for manufacturing a semiconductor device.
(1) forming a p-type conductivity type polycrystalline silicon film;
(2) A step of forming a polycrystalline silicon film by performing a heat treatment on the amorphous silicon film after forming a p-type conductivity type amorphous silicon film,
(3) a step of ion-implanting a p-type conductivity type impurity into the polycrystalline silicon film after forming the polycrystalline silicon film;
(4) A step of performing plasma doping of a p-type conductivity type impurity in the polycrystalline silicon film after forming the polycrystalline silicon film;
(5) A step of forming a polycrystalline silicon film by forming an amorphous silicon film, then ion-implanting p-type conductivity type impurities into the amorphous silicon film, and further heat-treating the amorphous silicon film,
(6) A step of forming a polycrystalline silicon film by forming an amorphous silicon film, plasma doping with an impurity of p-type conductivity in the amorphous silicon film, and further performing a heat treatment on the amorphous silicon film.
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